PlantScreenPiattaforma di analisi fenotipica delle piante ad alta portata selvatica

——Field-based High-throughput Phenotyping PlatForm

La costruzione di capacità di analisi fenotipiche multicaratteristiche non dannose rapide, accurate e ad alto flusso di piante in crescita selvatica è la più grande sfida per la riproduzione genetica delle colture nel XXI secolo (Andrade-Sanchez et al. 2014, Furbank and Tester 2011, Houle et al. 2010). La piattaforma di analisi fenotipica delle piante ad alta portata in campo è di grande importanza per la genetica, la biotecnologia, l'allevamento delle colture e il monitoraggio della ricerca sulla risposta delle colture ai cambiamenti climatici, al suolo e alla gestione dell'agricoltura, in particolare nell'agricoltura moderna e nell'agricoltura intelligente.

PlantScreenLa piattaforma di analisi fenotipica delle piante ad alto flusso selvatico integra sistemi di controllo automatizzati, analisi di misurazione di immagini fluorescenti con clorofila, analisi di immagini termiche delle piante, analisi di alta spettrografia delle piante, analisi di immagini a colori RGB e piattaforma di big data fenotipica Internet + per realizzare in modo ottimale misurazioni di analisi fenotipiche in situ ad alto flusso delle piante selvatiche, screening di misurazioni di analisi di immagini di risposta alla forza e resistenza delle piante, misurazioni di analisi della crescita delle piante, riconoscimento delle caratteristiche e analisi fisioecologica delle piante. Come primo produttore al mondo per sviluppare e produrre sistemi di imaging a fluorescenza di clorofile vegetale, PSI è all'avanguardia tecnologica mondiale nel campo dell'analisi dell'immagine fenotipica di piante.PlantScreenDiventare il dispositivo strumentale più avanzato per l'analisi fenotipica delle piante e l'analisi dell'immagine funzionale.

Caratteristiche:

1) grande piattaforma di imaging multifunzionale (piattaforma sensore multifunzionale), integrata fluorescenza clorofilica, imaging RGB, imaging termica a infrarossi, LiDAR、 Varie apparecchiature di rilevamento avanzate e di alta gamma come l'imaging ad alto spettro, analisi completa:

a) Analisi fenotipica delle caratteristiche strutturali (imaging RGB e LiDAR)

b) Analisi fenotipica funzionale (fluorescenza clorofilica)

c) Valutazione della forma e della crescita (imaging RGB e LiDAR)

d) La fotosintesi (fluorescenza clorofilica)

e) Risposte di bioforzo e non-bioforzo (fluorescenza clorofilica, imaging ad alto spettro, termografia a infrarossi)

f) Le manifestazioni fisioecologiche includono fisiologia fotosintetica, dinamica dei porosi, indicatori biochimici del metabolismo, ecc. (fluorescenza clorofilica, imaging ad alto spettro, termoimaging a infrarossi)

2) la tecnologia di imaging fluorescente di FluorCam, leader mondiale, è una tecnologia di analisi essenziale per le caratteristiche funzionali fisiologiche e ecologiche delle colture, la fonte di luce intelligente a LED fornisce una luce di misurazione modulata che può misurare automaticamente la fluorescenza e la fotosintesi della fluorescenza durante il giorno; Dotato di un'esclusiva fotocamera fluorescente ad alta sensibilità con un'area di immagine di 35 cm x 35 cm (80 cm x 80 cm personalizzabili), è il dispositivo tecnologico più grande al mondo per l'immagine fluorescente a clorofilo singolo

3) Può essere installato su un trattore per l'analisi dell'immagine automatica mobile o può essere installato su una piattaforma di funzionamento automatico dedicata per l'immagine di scansione automatica e l'analisi online della copertura completa del campione mentre funziona automaticamente lungo la pista del campione

4) Piattaforma di big data per analisi fenotipica, compreso il controllo del sistema, l'acquisizione dei dati, l'analisi dell'elaborazione dei dati e la visualizzazione della visualizzazione online, dei database, ecc.

5) Supporto tecnico del team di esperti del Centro di Ricerca Fenotipica PSI, che organizza ogni anno un seminario mondiale sui fenotipi vegetali negli Stati Uniti e in Europa

6) La piattaforma di analisi fenotipica di alto flusso di droni PhenoUAS basata sulla tecnologia di droni (UAV-based) è opzionale per consentire l'analisi fenotipica basata su terra scalling-up a analisi fenotipica rapida su grandi aree aeree

7) Stazione di monitoraggio meteorologico del suolo opzionale, analisi completa della relazione tra le condizioni ambientali e le caratteristiche fenotipiche

8) sistema di monitoraggio fisiologico-ecologico delle piante opzionale, monitoraggio sincronico della fotosintesi delle piante e della crescita dei frutti e altre informazioni

9) Possibilità di pesare automaticamente vasi digitali per pesare con precisione, monitoraggio dell'umidità del suolo, irrigazione automatica, ecc.

Indicatori tecnici principali:

1. piattaforma di analisi dell'immagine automatica multifunzione integrata con sorgente di luce intelligente a LED e modulo di immagine fluorescente clorofila, modulo di analisi dell'immagine RGB e altri moduli di immagine opzionali come l'immagine termica a infrarossi, la scansione laser LiDAR, lo spettro elevato, ecc.

Analisi dell'immagine fluorescente clorofilica (standard):

a) 3 colori LED intelligente sorgente di luce di eccitazione, 620nm pulso di misura della luce, bianco di luce fotochimica e il massimo flash di luce satura, 735nm di luce infrarossa per misurare Fo 'ecc

b) Opzionale con sorgente di luce blu e ruota di filtro a 7 bit per misurazioni di fluorescenza multispettrale multibanda come misurazioni di imaging GFP

c) Sensore di immagine fluorescente clorofile CCD esclusivo ad alta sensibilità, con frequenza di fotogrammi fino a 50 fps, cattura efficiente i transienti fluorescenti clorofili, risoluzione 720x560 pixel, A / D 12 bit, con modalità video e modalità istantanea; Opzionale con CCD ad alta risoluzione, risoluzione 1360x1024, frame rate 20fps, A/D a 16 bit

d) Dimensione immagine singola 35x35cm

e) Parametri di misurazione dell'immagine: può essere effettuata la misurazione dell'adattamento al buio notturno e la misurazione dell'adattamento alla luce diurna, i parametri di misurazione includono Fo, Fm, Fv, Fo’, Fm’, Fv’, Ft, Fv/Fm, Fv’/Fm’, Phi_PSII, NPQ, qN, qP, Rfd Parametri di fluorescenza di clorofila per l'analisi dell'efficienza fotosintetica delle piante, l'idoneità, la forza biologica e non biologica e la resistenza delle colture, la resistenza, ecc.

f) Protocolli e parametri di misura completamente automatizzati come Fv/Fm, effetto di induzione di Kautsky, analisi di estinzione fluorescente, ad esempio il tempo di misura del programma Fv/Fm è di soli 10 s

g) Analisi online dei dati di fluorescenza di clorofila, tra cui grafici a colonne, grafici di parametri di misura, tabelle di dati, ecc., con funzioni di separazione dell'immagine personalizzata, che possono eseguire analisi dinamiche multiparametriche su diverse scale temporali (come giorni, mesi, intera stagione di crescita, ecc.)

h) è una vera immagine sincronizzata bidimensionale, i parametri di fluorescenza della clorofila ottenuti sono veri parametri di distribuzione bidimensionale basati sui punti di pixel, evitando semplificati "imaging indotta dal laser" (il vantaggio è leggerezza, risparmio energetico) solo immagine unidimensionale (punti o linee), non può sincronizzare l'immagine bidimensionale, è vulnerabile ai fattori ambientali (come il vento soffia per produrre gravi errori), i parametri di immagine sono solo parametri analogici (secondo la scansione laser la fluorescenza di misurazione rapida e la fluorescenza di misurazione lenta non sono la fluorescenza minima e massima reale, il parametro ottenuto "produzione quantistica della luce" è solo la produzione quantistica della luce analogica che richiede parametri post-calibrazione per essere utilizzata), parametri di misurazione singoli (può essere ottenuta solo la fluorescenza di misurazione rapida e la fluorescenza di misurazione lenta e la produzione quantistica della luce analogica o l'efficienza quantistica della luce calcolata da questo), Problemi come la tecnica non matura (mancanza di riferimenti)

i) è il mezzo tecnico più ampiamente utilizzato e pubblicato al mondo per l'analisi fenotipica delle piante ad alto flusso

Analisi dell'immagine RGB (standard): può essere effettuata l'analisi dell'immagine della forma della pianta, del colore verde, ecc., risoluzione 5Mpx, e può essere effettuata automaticamente l'analisi statistica del numero di fiori della pianta, delle scorie di riso, ecc., I principali parametri di misura dell'analisi includono:

Area foglia: utile per monitorare il tasso di crescita e le sue variazioni dinamiche

2) 植物紧实度／紧密度(Solidità/Compattezza. Rapporto tra l'area coperta dallo scafo convesso dell'impianto e l'area coperta dall'impianto effettivo)

3)叶片周长（Perimetro della foglia: Particolarmente utile per la valutazione di base della forma e della larghezza della foglia (combinata con l'area della foglia)

4)偏心率（Eccentricità: stima della forma della pianta, numero scalare, eccentricità dell'ellisse con gli stessi secondi momenti della pianta (0...cerchio, 1...segmento di linea)）

5)叶圆度（Rotondoneità: Sulla base della valutazione del rapporto tra l'area della foglia e il perimetro.

6)叶宽指数(Medium Leaf Width Index: area foglia proporzionale allo scheletro della pianta (cioè riduzione della foglia al segmento lineare))

7)叶片细长度SOL (Slenderness of Leaves)

8)植物圆直径（Diametro del cerchio. Diametro di un cerchio con la stessa area della pianta）

9) Area dello scafo convesso (utile per la valutazione della compattezza)

10)植物质心（Centroid. Centro della posizione di massa della pianta (particolarmente utile per la valutazione dell'eccentricità)）

Indice di piantaggio (Flattening index)

Tasso di crescita relativo (Relative Growth Rate)

13) Indice di verde e analisi di classificazione (verde scuro, verde sano, verde chiaro, ecc.)

Segmentazione del colore per la valutazione della fitness delle piante

Analisi dinamica di altre caratteristiche e colori

Analisi di scansione laser 3D (opzionale): per l'analisi fenotipica della struttura della pianta, calcolare automaticamente la struttura della pianta, la biomassa, il numero di foglie, l'area delle foglie, l'angolo di inclinazione delle foglie, l'altezza della pianta e vari parametri morfistici

5. analisi di imaging termica a infrarossi (opzionale): microradiometro a piano focale, risoluzione 640 x 480 pixel, banda 7,5-13 μm, intervallo di temperatura -20 - 120 ℃, risoluzione < 0,05 ℃ @ 30 ℃ / 50mK, area di imaging 35x35cm, utilizzato per immaginare la distribuzione della temperatura della corona della pianta in condizioni di radiazione luminosa e analizzare la dinamica della conduttività dei porosi della pianta, la forza della siccità e la valutazione della capacità di resistenza alla siccità, ecc. Un buon dissipamento può rendere la pianta resistente a lunghi periodi di radiazione luminosa alta o basse condizioni idriche (siccità)

Analisi di imaging spettrale elevata (opzionale): gamma di lunghezze d'onda 380-1000nm, numero di bande spettrali (numero di bande) 675 bande, può immaginare e analizzare l'indice di normalizzazione (Normalized Difference Vegetation Index (NDVI)) Indice di rapporto semplice (Equazione: SR = RNIR / RRED), Modified Clorofyll Absorption in Reflectance Index (MCARI1), Equazione: MCARI1 = 1,2 * [2,5 * (R790-R670) - 1,3 * (R790-R550)]), Optimized Soil-Adjusted Vegetation Index (OSAVI), Equazione: OSAVI = (1 + 0,16) * (R790-R670) / (R790-R670 + 0,16), Photochemical Vegetation Reflectance Index (PRI), Equazione: PRI = (R531-R570) / (R531 + R570), ecc.

Piattaforma mobile sul campo: braccio della piattaforma 12m, piattaforma di imaging multifunzione può analizzare automaticamente l'immagine sulla piattaforma mobile a sinistra e destra, può scansionare automaticamente un campione di larghezza fino a 10m, ogni area di imaging di scansione può raggiungere 10x0,35m (3,5m2), completare un tempo di scansione da meno di 1 minuto a pochi minuti (secondo il protocollo del programma di misurazione sperimentale), la piattaforma mobile può funzionare automaticamente lungo l'orbita, la distanza di funzionamento è in linea di principio illimitata (limitata dalla lunghezza dell'orbita); Altezza della piattaforma mobile 2,5 m, piattaforma di imaging multifunzione regolabile in altezza per adattarsi all'analisi di imaging delle colture a diverse altezze; 4 ruote di gomma della piattaforma mobile possono funzionare automaticamente su orbita tramite il sistema di controllo e scansionare automaticamente l'immagine, ma anche facilitare il movimento sul terreno generale, la curvatura, ecc. Per il campione di 75x20m, la piattaforma mobile può caricare la piattaforma di immagine multifunzione per completare il campione di 75x10m in una volta, quindi la curvatura manuale per completare automaticamente l'analisi dell'immagine dell'altra metà di 75x10m; Dotato di un sistema GPS con precisione fino a 2 cm, il software registra automaticamente i dati di misura, la posizione, l'ora, ecc., Può essere alimentato da un generatore diesel per guidare l'intera piattaforma in movimento

8. può essere dotato di una rete di sensori di misurazione ambientale, monitoraggio automatico registra PAR, concentrazione di CO2 ambientale, temperatura dell'aria, umidità, pioggia e umidità del suolo, ecc.

Sistema di controllo e analisi di acquisizione dei dati (piattaforma fenotipica di big data):

1) Interfaccia grafica user-friendly

2) La funzione di localizzazione GPS può effettuare l'analisi del modello di distribuzione spaziale e temporale delle informazioni sulla distribuzione spaziale

3) Sono integrati vari protocolli maturi, con programmi di misurazione automatici modificabili e definiti dall'utente, per completare automaticamente tutti gli esperimenti in base alla procedura impostata dall'utente. I risultati dei dati vengono archiviati e analizzati automaticamente e visualizzati come curve dinamiche

4) Sistema di gestione del database MySQL, in grado di gestire grandi database con decine di milioni di record, supporta più motori di archiviazione, i dati correlati vengono archiviati automaticamente in diverse tabelle nel database

5) Tutte le misurazioni possono essere eseguite con il programma predefinito, anche con lo strumento di sviluppo per creare un processo di lavoro personalizzato, o manualmente attivare o spegnere la sorgente luminosa a LED, l'immagine di scansione RGB, l'immagine fluorescente clorofilica, ecc.

6) Protocolli con tasti di inizio, terminazione e pausa

7) Il sistema può essere controllato a distanza tramite Internet wireless, consentendo all'utente di accedere a distanza tramite Internet, elaborare i dati, scaricare e modificare la progettazione dell'esperimento, con la funzione di classificazione dei diritti dell'utente, per prevenire l'influenza degli esperimenti da parte di altre persone

Origine: PSI Europa

Casi di applicazione:

Applicazione FluorCamTecnologia di fluorescenza di clorofila per il monitoraggio in situ a lungo termine delle piante selvatiche in diverse stagioni, mentre il monitoraggio della fotosintesi delle piante (assimilazione di CO2) A, i risultati si vedono nella figura seguente. La tecnologia di fluorescenza a clorofile FluorCam utilizza la tecnologia di modulazione degli impulsi di luce stimolata, la tecnologia di sensore CCD ad alta sensibilità (frequenza di campionamento fino a 50 volte al secondo) e una fonte di luce LED intelligente per grandi aree (standard con un'area di immagine di 35x35 cm per fotogramma) L'analisi dell'immagine delle piante / colture, in natura può essere eseguita sia l'analisi dell'immagine della fluorescenza della clorofila in condizioni di adattamento oscuro durante la notte, sia l'analisi dell'immagine della fluorescenza della clorofila in condizioni di adattamento alla luce ambientale, rispetto alla semplice misurazione della fluorescenza della clorofila indotta dal laser (stimolare la fluorescenza della clorofila attraverso una fonte di luce a punti o lineare per stimolare la fluorescenza e misurare, il vantaggio è il risparmio energetico e può essere più leggero) rispetto a molti vantaggi funzionali, non solo più parametri di misura, può eseguire una varietà di misurazione dell'immagine della procedura sperimentale di fluorescenza della clorofila, ma anche un'immagine bidimensionale (analisi dell'immagine reale) evita la misurazione della fluorescenza della clorofila causata dalla scansione della luce a punti o lineare non sincronizzata, la risoluzione della soffiatura del vento selvaggio

Altri sistemi di analisi dell'immagine fenotipica in campo:

1)PhenoUASPiattaforma di analisi fenotipica delle colture a grande portata

2)FluorCamFluorescenza clorofilica mobile in campo e sistema di analisi dell'immagine RGB

3)FluorCamFluorescenza clorofilica a scansione a nastro e sistema di analisi dell'immagine RGB (imaging termica a infrarossi opzionale)